HDMI，全稱為（High Definition Multimedia Interface）高清多媒體接口,，主要用于傳輸高清音視頻信號,。

HDMI引腳：

HDMI有A,B,C,D,E五種引腳類型，目前市面中比較常見的就是Type A：

其中

• 1-9 都是TMDS數(shù)據(jù)傳輸實際上用到的引腳,，分為0,1,2三組
• 10-12 為TMDS時鐘信號,，如當前Video Timing為480p@60Hz（Htotal：800，Vtotal:525）,，則TMDS clock = 800x525x60 = 25.2MHz,。TMDS clock就像是對像素的打包，一個clock分別在三個Channel傳輸一個像素的R,、G,、B（8bit）信號。
• 13 為CEC（consumer electronic control）類似一種擴展的HDMI功能,，供廠家自己定制HDMI消息,，（比如說你有一臺sony的DVD與TV,，兩者用HDMI線接上，如果你用TV的遙控器可以控制DVD,，另DVD執(zhí)行某種功能,，那么該功能的命令信號就是通過TV與DVD間的CEC引腳傳輸?shù)模?/li>
• 14 為保留引腳，未使用（或者也可以為CEC提供多一個引腳）
• 15-16 為I2C引腳,，用于DDC（Display Data Channel,，主要用于EDID與HDCP的傳輸）傳輸，具體可以查看,。在HDMI的流程中,，DDC通信幾乎是最先做的（前有Hotplug），因為HDMI的主從兩個設(shè)備需要通過DDC來獲得他們對方設(shè)備的EDID,，從而得到各種信息,，并且通過比較timming以確定以后送出來的timming為最合適的
• 17 為接地引腳
• 18 為5v的AC引腳
• 19 為Hotplug（熱拔插）引腳（用于監(jiān)測HDMI設(shè)備有沒有存在，如果存在（Hotplug為high）那么可以通過DDC去讀EDID）,，HDMI有規(guī)定在HDMI 5vAC斷電時source device可以讀reciever device的EDID,，也就是需要Hotplug為High。其中有兩種Hotplug相關(guān)的情況會導致HDMI被識別為DVI：
  1. Hotplug為High,，不過EDID并沒有準備好,，那么信號源設(shè)備會由于無法讀到EDID而認為接收設(shè)備為DVI，這樣會導致HDMI有圖像無聲的問題,。
  2. Hotplug為Low,，也會導致信號源無法讀到EDID而認為接收設(shè)備為DVI，從而導致HDMI有圖無聲
  3. 在TV這種有多個HDMI通道的情況下,，有時會在多個HDMI通道進行切換,，切換后HDMI通道應當先初始化，即先把Hotplug拉低,，通知HDMI source device之前所用的EDID已經(jīng)改變,，需要重新讀取，那么source device在Hotplug被拉高的時候會去讀取新的EDID,，但是拉低這個過程至少需要100ms,，否則source device有可能不會去讀取新的EDID，從而輸出DVI信號

傳輸流程

HDMI TMDS傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型有三種（加上Hsync與Vsync就算4種）：

1. Preamble（控制信息）,，主要用于控制接下來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是Data Island或者Video Data
2. Data Island（數(shù)據(jù)包）,，各種類型的包信息，包括音頻數(shù)據(jù)包,，圖像信息包等
3. Video Data （視頻信息）,，視頻像素數(shù)據(jù)，HDMI可以傳輸RGB與YUV兩種格式的像素數(shù)據(jù)
4. 還有Hsync與Vsync

HDMI的數(shù)據(jù)傳輸有TMDS0，TMDS1,，TMDS2三個通道,，每個通道的傳輸流程都是一樣的：

如果是8bit的數(shù)據(jù)進入TMDS編碼器，得到抗干擾性強的10bit TMDS信號,，然后再進行串行化輸出,；在接收端收到串行的HDMI信號后，進行信號復原,，得到10bit的TMDS信號,，最后用TMDS解碼器解碼得到原來的8bit數(shù)據(jù)。

總體傳輸流程如下：

1. 如果傳輸?shù)氖荲ideo Data,，并且格式為RGB,，那么會占用三個通道的所有24bit輸入，Channel0[7:0]用于傳輸B,，Channel1[7:0]用于傳輸G,，Channel2[7:0]用于傳輸R。
2. 如果傳輸?shù)氖荄ata Island,，則占用三個通道共10bit輸入,，Channel0[3:2]用于傳輸Data Island Header（包頭），Channel1[0:3]與Channel2[0:3]用于傳輸Data Island Content（包內(nèi)數(shù)據(jù)）,。
3. 如果傳輸?shù)氖荘reamble,，則占用1，2兩個通道共4bit輸入,，Channel1[1:0]與Channel2[1:0]分別為CTL0,CTL1,CTL2,CTL3，用于判斷接下來輸入的是Video Data或者Data Island

對于Hsync與VSync,，會占用Channel0通道的兩個bit輸入,，Channel0[0]為Hsync，Channel0[1]為Vsync

傳輸周期

HDMI的TMDS數(shù)據(jù)傳輸可以分為三個傳輸周期：

1. Control Period期間會傳輸Hsync,，Vsync,，并且在該時期的最后階段會傳輸Preamble
2. Data Island Period期間會傳輸Data Island（數(shù)據(jù)包），也會有Hsync與Vsync
3. Video Data Period期間會傳輸Video Data（視頻像素數(shù)據(jù)）

某幀的總體周期如下：

三個傳輸周期的過渡如下：

1. 左邊是Control Period,，傳輸有Hsync,，Vsync與Preamble
2. 中間是Data Island Period，傳輸有Hsync,，Vsync,，以及兩個Packet Header與Packet（每32個clock 一個packet）；另外Data Island的兩端會用Guard Band保護并隔開Data Island的數(shù)據(jù),，因為這個階段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大多是非常重要的,，比如其中就有圖像分辨率，決定后面的Video Data數(shù)據(jù)的顯示方式
3. 右邊是Video Data Island，傳輸視頻像素數(shù)據(jù),，在該時期的開頭也有Guard Band

Data Island Packet結(jié)構(gòu)

所有Data Island Packet都以32個時鐘脈沖為一個周期,，也就是說每32 clk傳輸一個包。

以上圖為例,，

1. 包頭部是BCH block 4,，由Channel0[2]傳輸，32clk表示有32bit,，則為4byte,，前三個byte為包頭，最后一byte為校驗碼
2. 包體為BCH block 0,1,2,3,，分別由Channel1,，Channel2共8根線傳輸，共有24byte與6byte的校驗碼
3. Parity Bits校驗碼是用于檢驗HDMI Cable傳輸過程中是否發(fā)生了錯誤,，如果該Packet在HDMI接收端校驗錯誤,，如果只有一個bit的錯誤，那么可以修正,，超過1bit的錯誤會被判別為無效Packet（由于HDMI是一直在發(fā)送數(shù)據(jù)因此無法重發(fā)錯誤Packet,？）

所以說，在接收端,，在解完包之后,，需要取出各個BCH block的Parity bit，進行Calibration（校驗）

Packet類型各種各樣,，詳細請看HDMI Spec

Audio Clock

Audio的采樣率有44100,48000,，192000等，是各種各樣,，在HDMI傳輸時,，Audio是PCM級（無壓縮）傳輸，把PCM數(shù)據(jù)打散到各個包內(nèi),，為了得到每個音頻幀的數(shù)據(jù),，也需要知道Audio的采樣率。HDMI中規(guī)定Audio的傳輸方式：

Audio采樣率fs重建依靠的主要參數(shù)為：

1. TMDS Clock
2. CTS
3. N

在發(fā)送設(shè)備這端,，已知參數(shù)有采樣率fs,，視頻時鐘Video Clock(TMDS clock)，以及預先設(shè)定好的參數(shù)N,，求CTS:

CTS=N?fTMDS128×fxCTS=N?fTMDS128×fx

在接收設(shè)備這端,，TMDS clock通過硬件設(shè)備可以得到，N,，與CTS通過Audio Packet傳輸過來,，求fs:

128?fs=N×fTMDSCTS128?fs=N×fTMDSCTS

在接收端為了保持fs的穩(wěn)定與精確，需要進行鎖相，即用VCO（Voltage-controlled oscillator壓控振蕩器,，通過電壓控制產(chǎn)生的頻率）產(chǎn)生合適的頻率,，然后用PFD（Phase Frequency Detector）來鎖頻

1. 首先，由于VCO有個最佳的工作區(qū)域如（200MHz~500MHz）,，那么為了保證VCO在最佳工作頻率內(nèi),，我們可以從后倒推回來，先對輸出的fa128做乘法得到
   fvco=fa128×S×S2fvco=fa128×S×S2
   由于fa128fa128只有那么幾種（44.1k,，48k等）,，所以比較容易得到SS與S2S2
2. 然后，為了更快進行頻率匹配,，需要對近來的頻率fxfx（就是晶振時鐘fcrystalfcrystal）或者fvfv（pixel clock）做除法,，也對fvcofvco做除法，令兩個趨向相等,。對于細微的區(qū)別可以用D Code 進行修正
   fvcoM=fxKfvcoM=fxK
3. 最后做PFD鎖相
4. 第2,3步的反饋操作循環(huán)地進行,，最后可以得出比較穩(wěn)定的fvcofvco
5. 最終得到
   fa128=fvcoS×S2fa128=fvcoS×S2

HotPlug

HotPlug即熱拔插，當接上接口時就可以判定設(shè)備是否存在,，以進行后續(xù)工作,。

HDMI source device（HDMI HPD）會監(jiān)測sink device的Hotplug端口，如果Hotplug為High,，則證明設(shè)備可以工作,，然后去讀取DCC，如果為low,，則證明設(shè)備已斷開,。

HDMI sink device應該通過把Hotplug拉低，來通知source device EDID已經(jīng)被改變,，那么source device在Hotplug被拉高后,，就會重新來讀取新的EDID，拉低這段時間應該多于100ms,。

HDMI規(guī)定,，HDMI 的5v引腳通電時,，可以通過DCC去讀取EDID,，即需要保證Hotplug為high，有些Hotplug是直接接到5V上的（如下）,。

Hotplug接法：（HDMI HPD(Hotplug detect ?)檢測sink的Hotplug端）

上面用5V引腳進行供電,，并接上Hotplug，這樣做就能保證每次source device接上sink device時,，都可以去讀取到EDID,。但是這樣做有一個缺點，當5V電源斷開時，會有5v的電壓回灌給HDMI HPD與Hotplug,，5V電壓會沖擊Hotplug,，一旦Hotplug引腳無法承受5V電壓的回灌，會被打穿,。

下面有個較好的Hotplug接法：

上面用的是額外的GPIO引腳加上三極管控制HDMI HPD為0還是1,，如果HDMI0_HPD_CTL輸出0，那么三極管斷開,，HDMI0_HPD偵測到High,，如果HDMI0_HPD_CTL輸出1，那么三極管打通,，HDMI0_HPD偵測到low,。

HDMI Sink

例如像TV這種就是HDMI的接收端，那么HDMI接收端需要做些什么東西,。

HDMI可以接收到的有三個通道的TMDS Data,，TMDS Clock，可以設(shè)置Hotplug,，還有DCC傳輸用的I2C引腳,。上面已經(jīng)講了TMDS Data，與設(shè)置Hotplug,，接下來分析TMDS Clock,。

TMDS Clock 就是Pixel Clock，即一個像素點所用的時鐘頻率,。TMDS Clock通過clk 引腳傳輸?shù)浇邮斩?，但是接收端并不清楚發(fā)送端發(fā)過來的TMDS Clock 頻率為多少，因此需要通過Phy（PHY是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換部分,，不同于ADC,，PHY是不知道采樣頻率的，需要自己鎖頻,、鎖相,，偵測確切的輸入頻率）來進行鎖相得到。但是由于HDMI頻寬太寬（480P@60Hz為25.2MHz,，1080P@60Hz為162MHz,，甚至還有高達340MHz的），一般VCO（壓控振蕩器,，通過電壓控制產(chǎn)生的頻率）無法覆蓋這么大的范圍,，因此需要分頻帶來設(shè)置Phy：

先偵測輸入頻率落在哪個頻帶，然后根據(jù)不同頻帶做不同設(shè)置,。

用TV產(chǎn)生的晶振來數(shù)count,，數(shù)得count后就知道TDMS Clock了

fcrystal=count×fTMDSfcrystal=count×fTMDS,？？

或者用1024個TMDS Clock來數(shù)晶振個數(shù)

1024×fTMDS=count×fcrystal1024×fTMDS=count×fcrystal,？,？

由于視頻信號從RGB個8bit通過TMDS編碼后變成了10bit，然后又串行化,，所以實際用于接收TMDS Data所用的時鐘應該為：

fReceiveClock=10×fTMDSfReceiveClock=10×fTMDS

另外ReceiveClock也可以不用直接采用上面的乘法,，而是采用TMDSClock為參考、硬件鎖相的方法來得到,。

得到ReceiveClock后就可以去設(shè)置頻率PLL,，然后對三個通道進行采樣得到TMDS Data。

Timming Detect

在Sink端還有需要進行Timming Detect,，因為如果設(shè)備可以支持（如chroma）,，HDMI可以自由更換Timming，而當Timming更換了之后,，Sink需要重新設(shè)定Phy,。因此，通過偵測頻率的改變來檢測是否更換了Timing是必要的,。一般會有一個中斷服務（或循環(huán)）線程來偵測頻率的改變,，一旦頻率改變后，該進程會通知重新設(shè)定Phy,，保證HDMI的正確運行　

HDMI版權(quán)內(nèi)容保護之HDCP

HDCP通過DDC傳輸

HDCP主要用于版權(quán)視頻的保護,，舉例來說，如果有一臺藍光DVD播放機可以播放blueray DVD,，并且該DVD已經(jīng)獲得HDCP授權(quán),，你現(xiàn)在想把該DVD影像輸出到某臺TV，但是該TV沒有獲得HDCP授權(quán),，那么該TV可能就沒法播放影像,，或者播放質(zhì)量下降，如出現(xiàn)雪花,，圖像從1080p變?yōu)?80p,，或者沒有聲音，都有可能,。

HDCP是靠兩個設(shè)備的交互進行HDCP授權(quán)認證的,，認證流程如下

1. Transmitter會發(fā)送一個key An（64bit）與Aksv（key selection vector 40bit）給Receiver
2. Receiver接收到An后，也會發(fā)送一個Bkvs以及REPEATER（表明B設(shè)備是否為Repeater設(shè)備）給Transmitter
3. Transmitter開始HDCP認證碼算法:

   要理解算法,，首先我們需要知道ksv是用來干嘛的

   1. 在每個HDMI設(shè)備內(nèi)部,，都會保存40組64bit的key,，key[40]
   2. 40bit的kvs,，每一個bit都是一個索引,，當kvs的某一位n為1時，會把key[n]取出來,，
   3. 把所有的key[n]相加,，得到km，
4. Receiver也會做HDCP認證碼算法這個步驟得到km'
5. Transmitter與Receiver都會用km\km'去做hdcpBlkCipher,，得到一個值R0與R0'
6. 100ms后Receiver把R0'發(fā)送到Transmitter與R0做比較,，相等則認為認證完畢。當然km = km'才能保證R0 = R0',。
7. 此后的每一幀,，Transmitter與Receiver都會運行一次hdcpBlockCipher，不過參數(shù)為上次生成的Ks與M,，生成的新參數(shù)為Ks,M,T
   
8. 在第128幀的時候,，另R = T
9. 在間隔第一次通信的2s后，再次進行認證
10. 后續(xù)都采用7,8,9這三個步驟進行迭代認證

此外HDMI自1.1后還支持一個更快速與頻繁的認證方式,，就是上方設(shè)備通信圖的下半部分

1. 在每第16的倍數(shù)幀,，用T與當前幀的Channel0的0像素做異或得到Pj
2. Channel0的0像素到達Sink后，也與Sink的T‘做異或得到P'j
3. Sink把P'j發(fā)送到Source,，與Pj做比較,，相同則通過認證

了解HDCP對于處理HDMI的異常現(xiàn)象很有幫助,，比如說如果時而出現(xiàn)雪花,，有可能是信號不好導致Channel0的0像素出錯，從而第二階段的認證有時會不成功...

HDMI Sink總流程

1. 提取與分割10bit的TMDS串行數(shù)據(jù)
2. 10bit的數(shù)據(jù),，通過不同線路進來的,，判斷是那種類型的：DE，Data Island,，RGB,，Hs，Vs,，Ctrl
3. TMDS解碼
4. HDCP解碼,，同時Hs，Vs,，DE做delay
5. RGB與DE,，Hs，Vs...
6. BCH解碼得到Packet,，錯誤驗證
7. Packet含義解析
8. 如果是信息,，則存到內(nèi)存
9. 如果是Audio Data，生成采樣頻率
10. Audio輸出